В настоящее время развитие телекоммуникационных технологий происходит стремительными темпами, и из этого следует, что возрастают и потребности в ресурсах беспроводных сетей. Но радиоресурс не безграничен, и для его оптимального использования разрабатываются новые спецификации, определяющие работу перспективных беспроводных сетей связи, а также оптимизируются уже существующие методы доступа к ним. В силу сложившейся эволюции различные технологии радиодоступа, входящие в состав гетерогенных беспроводных сетей, значительно фрагментированы и недостаточно интегрированы между собой. Это сдерживает их дальнейшее развитие, а также создает разрыв между требованиями пользовательских приложений и эффективностью функционирования современных систем мобильного доступа.
В силу сложившейся эволюции различные технологии радиодоступа, входящие в состав гетерогенных беспроводных сетей, значительно фрагментированы и недостаточно интегрированы между собой. Это сдерживает их дальнейшее развитие, а также создает разрыв между требованиями пользовательских приложений и эффективностью функционирования современных систем мобильного доступа.
Современные сети мобильного доступа помимо классической телефонии предоставляют пользователям осуществлять передачу разнородного трафика, а в перспективе обеспечат поддержку приложений Интернета вещей, облачных вычислений и программно-определяемых сетей. Такие гетерогенные беспроводные сети тесно интегрируют между собой все существующие, а также перспективные технологии радиодоступа, вследствие чего возникает потребность решения возникающих научно-технических задач.
Для повышения качества обслуживания в системах 5G потребуется согласованное взаимодействие сотовых технологий радиодоступа, таких как система LTE, с семейством технологий локального доступа WiFi. Кроме того, перспективным представляется использование прямых соединений между пользовательскими устройствами для снижения нагрузки на инфраструктуру каналов связи [5].
Сети связи пятого поколения
, т.н. 5G, вкупе с анализом больших данных (Big Data) и интернетом вещей (IoT) призваны стать одной из основ цифровой экономики, главной движущей силой которой должен стать искусственный интеллект (ИИ). За 40 с небольшим лет сменилось четыре поколения сетей мобильной связи. Если сотовые сети первого поколения 1G давно исчезли, то сети 2G, 3G и 4G до сих пор продолжают эксплуатироваться. Более того, некоторое количество унаследованной инфраструктуры сетей 3G и 4G органично войдёт в состав мобильных сетей пятого поколения 5G.
5GPPP – (5G Infrastructure Public Private Partnership), считается одним из ведущих партнёрств по стандартизации 5G. Организация ставит амбициозные цели по разработке требований к сети 5G, например, увлечение ёмкости сети в 1000 раз, снижение энергопотребления пользовательских устройств на 90%, существенное сокращение времени создания новых сервисов и услуг, полное и безопасное сетевое покрытие и с пренебрежимо малой задержкой передачи данных, и пр. [3–4].
Сети 5G значительно расширяют ограниченный функционал мобильных сетей предыдущих поколений. Основными функциональными особенностями сетей 5G являются следующие:
Сети 5G способны значительно повысить скорость передачи данных через различные технологии радиодоступа (RAT), и при помощи задействования новых спектров радиочастот 5G NR (New Radio). Пользователь получает практически неограниченную полосу пропускания, как для домашнего использования различных сервисов, так и для целей предприятий (Immersive Telepresence, Industrial IoT и пр.)
Целью исследования является повышение эффективности организации моделей коллективного использования ресурса для гетерогенных беспроводных сетей высокой плотности.
Основные задачи исследования:
Объект исследования: Сети связи пятого поколения
Предмет исследования: Коллективное использование ресурса для гетерогенных беспроводных сетей высокой плотности.
Разработка мобильных технологий широкополосного доступа четвертого поколения 4G была завершена в 2011 году, и по мере ее повсеместного внедрения на практике возникла необходимость проектирования и разработки мобильных сетей пятого поколения 5G.
Для конечных пользователей можно определить такие требования к новому поколению сетей:
Наряду с емкостью сети и скоростью соединения, важным фактором является равномерность сетевого покрытия, влияющим на качество обслуживания и восприятие услуг пользователем. Надежность сотового покрытия современных сетей внутри помещений остается неудовлетворительной, и перспективные системы 5G нацелены на обеспечение единообразного и бесшовного соединения. Другим важным аспектом является то, что сотовые системы в лицензированном спектре часто совмещаются с сетями, функционирующими на нелицензированных частотах (WiFi). При этом современные абонентские терминалы имеют возможность использования нескольких технологий радиодоступа единовременно, что позволит разгружать сотовые сети при помощи прямого соединения устройств в нелицензированном спектре.
Согласно прогнозам объемы мобильного трафика, передаваемого по беспроводным сетям связи, будут существенно возрастать на протяжении последующих лет. Вследствие этого существующие на данный момент сети широкополосного доступа будут подвержены значительным перегрузкам из–за недостаточной емкости радиосетей, что приведет к резкому снижению качества обслуживания. Разгрузить сети будет возможно при использовании прямого подключения абонентских устройств. Соседние терминалы могут взаимодействовать и обмениваться данными напрямую, без вовлечения сетевой инфраструктуры, что позволит существенно увеличить емкость систем связи с возрастанием количества задействованных устройств [3].
Основными стимулами роста количества передаваемых через сети связи пользовательских данных являются высокая популярность мультимедиа–приложений, широкое разнообразие моделей абонентских терминалов, а также большое многообразие ресурсоемких приложений и сервисов. Ожидается, что нагрузка на системы мобильной связи возрастет в 10–100 раз до 2030 года, и существующие сети 4G могут с ней не справиться. Как следствие, повышение эффективности использования уже доступного системам беспроводного спектра может быть недостаточно для достижения требуемых показателей производительности. В этой связи представляется важным как назначение новых радиочастот для эксклюзивного использования беспроводными сетями доступа, так и более эффективное применение частот общего пользования для нужд операторов мобильной связи. Тремя главными решениями для увеличения емкости сетей являются радикальное уплотнение сети, массивные системы MIMO и связь на сверхвысоких частотах [10].
Рисунок 1 – Основные способы увеличения емкости систем 5G
(скорость анимации – 7 количество кадров – 6)
С учетом разнообразия требований, предъявляемых множеством приложений, основным принципом развития системы 5G является универсальность и гибкость в обслуживании пользователей различных типов. Помимо этого должны быть учтены ограничения, связанные с энергопотреблением устройств и эффективностью использования спектральных ресурсов. Система 5G, имея широкий диапазон заявленных возможностей, может менять значения отдельных ключевых параметров в зависимости от условий конкретного применения.
Для трех введенных классов сценариев 5G на рисунке приведен ожидаемых уровень их важности и проведена условная градация по категориям высокой, средней и низкой значимости.
Рисунок 2 – Ключевые особенности сценариев применения технологии 5G
В сценариях мобильного широкополосного доступа наиболее важными оказываются воспринимаемая пользователем скорость передачи данных, мобильность, а также обеспечение высокой энергетической и спектральной эффективности.
В сценариях, предполагающих надежность взаимодействия устройств с низкой задержкой, первостепенную значимость приобретает оперативность доставки информации, например, для обеспечения работы критически важных приложений. Для сценариев с массовым межмашинным взаимодействием требуется высокая плотность подключенных устройств, связанная с их очень большим числом.
В ходе последующего развития гетерогенных сетей 5G могут возникнуть дополнительные требования, направленные на обеспечение их более гибкого, надежного и безопасного функционирования при организации всевозможных приложений и услуг, которые будут возникать в дальнейшем.
Как отмечалось выше, ограничения по емкости и качеству соединения в мобильных сетях по сравнению с требованиями 5G обусловливают необходимость более тесной интеграции сотовых и локальных сетей доступа. На рисунке 3 схематически показана современная гетерогенная сеть HetNet сотового оператора. Система HetNet включает в себя иерархическую структуру сот различного размера, включая макросоты для обеспечения бесшовного покрытия, базового доступа и мобильности, а также различные малые соты (пикосоты, фемтосоты, точки доступа WiFi, совмещенные LTE–WiFi модули и др.). Соответствующее оборудование доступа имеет более низкую мощность передачи и стоимость, позволяя повысить емкость системы за счет сокращения расстояния между сетевой инфраструктурой и абонентом в областях с высокой потребностью в обслуживании.
Рисунок 3 – Ключевые особенности сценариев применения технологии 5G
Перспективные технологии 5G могут предложить набор важных улучшений, прежде всего направленных на увеличение емкости системы связи, что включает в себя: